CC BY
40
УДК 622.822. 622.4
В.К. Костенко, Е.Л. Завьялова
ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ В ТРЕЩИНОВАТОМ ГОРНОМ МАССИВЕ
Я а шахтах Украины ежегодно регистрировали от 6 до 36 эндогенных пожаров. Они стабильно остаются на втором месте после экзогенных пожаров по общему объему причиненого отрасли ущерба, а по величине экономических потерь, наносимых одной аварией, занимают лидирующее положение. Подземные эндогенные пожары возникают в труднодоступных местах, таких как выработанное или закрепное пространство, в целиках, в угольных отложениях за изоляционными перемычками, в пластах-спутниках. Подавление очагов горения в таких условиях затруднено, чем обусловлена самая высокая продолжительность ликвидации этого вида подземных аварий.
В результате воздействия горообразовательных процессов, сил горного давления, а затем выемочных механизмов происходит последовательное изменение структурного строения угольного пласта и вмещающих его пород. При этом наиболее значимую роль в процессах самонагревания и самовозгорания углей и пород играют мелкие фракции угля и породы.
Для выявления мест образования мелкоизмельченной породы и угля были проведены исследования структурных изменений, которые углепородный массив претерпевает под влиянием горных работ. Наблюдения показали наличие в угле и породах трещин, имеющих различную протяженность, частоту, пространственную ориентацию, ширину раскрытия и содержание мелкоизмельченного заполнителя. Вблизи контура выработок трещиноватость пород значительно отличается от существующей в окружающем массиве. Поэтому подходили дифференцированно к оценке структуры в массиве и приконтурных областях. Обобщение наблюдений за трещинами в керновом материале показало следующее. В нетронутой очистными работами толще пород можно выделить слоевые трещи-
ны, торцовые и эндокливажные, а так же экзокливажные. Чем выше прочность породы и мощность слоя, тем больше расстояние между трещинами. В угольных пластах трещиноватость значительно интенсивнее, чем во вмещающих их породах. Кроме того, оказывает влияние текстура пород. В слойчатых алевролитах трещины встречаются гораздо чаще, чем в однородных песчаниках при равной прочности и мощности слоя.
На основе обобщения наблюдений [1] и материалов горнотехнической литературы картина трещиноватости пород в нетронутой очистными работами толще представляется в первом приближении следующим образом (табл. 1).
Породы и угольные пласты под влиянием горных работ претерпевают влияние различных видов знакопеременных деформаций, при этом происходит истирание выступов и неровностей на стенках, в полостях трещин скапливается значительное количество имеющего огромную реакционную поверхность пылевидного материала. Важной особенностью, характеризующей трещиноватый горный массив, даже в зонах обрушения, является упорядоченность расположения оконтуренных трещинами блоков, что определяет минимальный объем образовавшихся пустот.
Увеличение объема блочной упорядоченной среды под действием горных работ, в среднем не превышает 3-5 %, максимальный коэффициент трещинной пустотности вблизи обнаженных поверхностей углей и пород составляет не более 20-25 %. Поэтому фильтрационные характеристики разрушенных трещинами пород и угля весьма невелики. Значительная масса измельченного угля образуется при воздействии на пласт выемочными механизмами и отбойными молотками.
Несмотря на интенсивное развитие в течение истекшего полувека технологий прогнозирования и предупреждения самовозгорания угля и пород угольных месторождений, остается актуальной проблема совершенствования арсенала средств и способов профилактики эндогенных пожаров в горных выработках, на отвалах шахт и обогатительных фабрик. Анализ существующих технологий показал, что в них не учтен ряд существенных физических процессов, происходящих в разрабатываемой угленосной толще и отвальной массе.
Как следует из табл. 1, в трещиноватой среде есть места, где расстояние между стенками трещин не превышает
№пп Тип (система) трещин Ориентация трещин Расстояние между трещинами, м Протяженность трещин, м Ширина раскрытия трещины, м Примечание
падение простирание
1. Слоевые По плоскости осадконакопления (напластования) Равно мощности отдельностей 1.10 и более 10-8.10 -10 Существуют в нетронутом горными работами массиве
2. Эндокливаж Нормально к напластованию слоев В меридианном направлении 3 со о, о" 0,05.10 10 -5.10 -3
3. Торцовые В широтном направлении 3 со о, о" 0,05.10 10-9.10-6
4. Экзокливаж Параллельно плоскости основного тектонического нарушения 3 со о, о" 0,05.10 10-9.10-6
5. Трещины давления 60.. .90° к плоскости напластования пород Параллельно границам горных работ (выработок) Зависит от глубины работ и свойств массива Равна мощности пластовой отдельности 10.10-1 Возникают под влиянием горных работ
6. Дополнительное расслоение Параллельно плоскости напластования пород Равно мощности пластовых отдельностей 10.10 2 10.10-1
7 Хаотические трещины Беспорядочно (преимущественно в угольных пластах ) Между ранее возникшими трещинами 10-2..10-3 10.10-2 В зонах геологич. нарушений
А= 10-7.10-8 м т.е. длины свободного пробега молекул газа (Я). Состояние газа, при котором длина свободного пробега его молекул X становится такого же порядка или более характерного размера сосуда L, в котором находится газ, называется вакуумом [2]. В нашем случае характерным размером сосуда является ширина раскрытия трещины ^ = А). Таким образом, воздух при нормальном атмосферном давлении в микротрещинах находится в состоянии вакуума, в отличие от того же воздуха в макротрещинах, и миграция газов происходит вследствие эффузионных процессов, то есть процессов истечения разреженного газа из отверстия, характерные размеры которого меньше длины свободного пробега молекул. Использование явления эффузии позволяет обосновать новый взгляд на проблему зарождения очагов самонагревания в горных выработках и на породных отвалах.
Реально при температурах горного массива газ можно считать разреженным вплоть до нескольких десятков атмосфер. Вопросы течения и теплообмена такого газа рассматриваются «динамикой разреженного газа». Важнейшей характеристикой системы в динамике разреженного газа является число Кнудсена Кп, которое определяется как отношение средней длины свободного пробега молекул газа X к характерному геометрическому параметру задачи, в нашем случае к ширине раскрытия трещины А (Кп = Я/А).
Условие равновесия разреженного газа существенно отличается от аналогичного условия для не разреженного газа, который находится в равновесии при равенстве давлений в обеих частях сосуда.
Если рассматривать микротрещину, отдельные участки которой заполнены угольной мелочью, как заполненный разреженным газом сосуд, разделенный перегородкой с небольшими отверстиями (поры между частицами угольной пыли), размеры которых меньше длины свободного пробега молекул газа, то разреженный газ будет находиться в равновесии при соблюдении следующего условия
где Р1, Р2 и Ть Т2 - соответственно давления и температуры в первой и второй частях сосуда.
Одним из следствий выражения (1) является то, что если давления Р1 и Р2 были первоначально одинаковыми, то вследствие
2
(1)
эффузии газ начнет перетекать из области с более низкой температурой, в область с более высокой. Это явление называется тепловой эффузией [3]. В трещинах, где А<А,, молекулы газа движутся преимущественно к более нагретым участкам.
Наличие трещин определяет изменение показателей горного массива: прочностных, деформационных, фильтрационных, в табл. 2 представлены их значения, рассчитанные по известным зависимостям. Кроме того, в таблице приведены расчетные величины отношения протяженности трещины к ширине ее раскрытия (1д/А). Эти данные показали, что в нетронутом горными работами массиве преобладают так называемые «длинные» каналы. В первом приближении, с учетом исследований [4], отнесем к «длинным» микротрещины имеющие показатель (1д/А) > 0,03, а к «коротким»- (1д/А) < 0,03. Под влиянием горных работ этот показатель может уменьшаться до 0, однако и «длинные» каналы продолжают существовать, имея при этом аэродинамическую связь с «короткими» и между собой. А в этом случае необходимо учитывать влияние взаимодействия молекул с поверхностью.
Известно [4], что поток газов через трубу при очень низком давлении существенно выше, чем предсказывает формула Пуазейля (которая описывает течение вязкой жидкости в канале при условии равенства нулю скорости на стенке). Этот эффект определили как «скольжение» на границе газ - твердое тело. «Скольжение» является результатом того, что имеется некоторая доля молекул, которые падают на поверхность, приходят в тепловое равновесие с ней и испаряются с поверхности диффузно, в то время как оставшаяся доля молекул отражается от поверхности зеркально с перевернутой составляющей импульса.
Рассмотрим пример неизотермического течения газа в канале. Если две камеры, находящиеся соответственно при температуре Тг и Т2, соединить длинным цилиндрическим каналом и заполнить систему разреженным газом, в камерах установятся давления Р1 и Р2, удовлетворяющие условию
где у зависит от числа Кнудсена в канале и факторов взаимодействия молекул газа с поверхностью канала; у принимает значения в интервале от 0 до '/г.
(2)
Тип и параметры трещин, (1т -частота, 1д — протяженность, Д - ширина раскрытия), м Отношение протяженности трещины к ширине ее раскрытия 1д/Д Коэффициенты Снижение, по сравнению со свойствами образцов
трещинной пус-тотности ктп проницаемости, кпр предела прочности, МПа модуля деформаций, МПа
В нетронутом массиве
Слоевые, 1т = 0,03.3, 1д = 1.10, А = 10_8...10“10 108...1011 10-7.10-10 10-23.10-30 Rм « (0,998) Кобр Е = 'м =(0,9999.0,99)Е обр
Кливажные и торцовые, 1т = 0,03.3, 1д = 0,005.10 А = 109...103 5*104... 106 10-3.10-8 10-9.10-25
В зоне влияния го] эных работ
Дополнительное расслоение 1т = 0,3.3, 1д = 0.10, А = 0...102 0...103 0.10-1 0.10-5 Rм « (0,9998.0,8)^ Евл = =(0,9.0,33)Еобр
Трещины давления 1т = 0,3.3, 1д = 0.10, А = 0...102 0...103 0.10-1 0.10-5
Хаотические 1т=10'2.10'3, 1д=10'2.10'3, А=0...10~2 0...105 0.10-4 0.10-8
Эксперименты показывают [4], что эффект термомолекулярной разности давлений в длинных каналах существенно зависит от природы газа. Тогда можно предположить, что при достижении равновесия в системе, заполненной смесью газов, произойдет обогащение последней одним из компонентов.
Газообмену между макротрещинами и аэродинамически связанными с ними микротрещинами способствует также изотермическая эффузия. Это явление заключается в том, что из газовой смеси через пористую перегородку преимущественно проникает газ, молекулы которого имеют меньшую молекулярную массу. При этом коэффициент разделения а, определяемый как отношение потоков двух компонентов Jl и J2, является степенной функцией отношения их молекулярных масс Мі и М2 [5]
Изотермическая эффузия нашла применение, например, при разделении смесей газов-изотопов, молекулярные массы которых отличаются незначительно.
В подземных горных выработках температурный режим характеризуется стабильностью, температура воздуха не превышает 25 °С, как это предусмотрено «Правилами безопасности.», температура горного массива зависит от глубины ведения горных пород и достигает в глубоких шахтах 40.45 °С. Как правило, пустоты в угольном пласте заполнены метаном и водяным паром, и доступ воздуха к угольному веществу затруднен. Из вскрытого горными выработками угольного пласта через трещины интенсивно выделяются под давлением метан и парообразная вода. После выравнивания давления газов в пласте и выработке начинается диффузный газообмен между содержимым сети макротрещин и воздухом выработок. Иногда он может приобретать фильтрационный режим из-за действия конвективных потоков, вызванных нагревом термически тонких угольных частиц [1]. Однако механизм дальнейшего развития очагов самонагревания угля недостаточно изучен.
Теоретически, учитывая выше изложенное, можно предположить следующий вариант развития очага самонагревания угля. Если в микротрещину с температурой стенок 35.40 °С (рисунок) из макротрещины, где температура воздуха составляет около 20.25
(3)
макротрещина
Схема разделения состава поступающей из макротрещины газовой смеси
°С, поступает смесь газов: кислорода, азота, метана и водяного пара, тогда вследствие тепловой эффузии через «длинный» канал (микротрещину) будет происходить обогащение смеси одним из компонентов.
В случае изотермического процесса в микротрещине также будет происходить разделение газов. Вследствие эффузии через отверстие малого диаметра (микротрещину) в первую очередь будут проникать молекулы с меньшей молекулярной массой. В соответствии с табл. 3 это будут молекулы водорода, метана, затем водяного пара и азота.
Таблица 3
Свойства газов при нормальных условиях
Название газа (формула) Молекулярная масса, а.е.м. Длина свободного пробега молекулы (X), м*10"8 Эффективный диаметр молекулы ^), м*10-9
Водород (Н2) 2 11,2 2.97
Кислород (О2) 32 6,5 3.6
Азот (^) 28 6,0 3.74
Оксид углерода (СО) 28 5,96 3.74
Метан (СН4) 16 4,87 4.14
Диоксид углерода (СО2) 44 4,2 4.52
Водяной пар (Н2О) 18 3,12 4.67
Хлор (С12) 71 2,84 5.43
Таким образом, в микротрещине вероятно возникновение областей с повышенным содержанием одного из газов, например кислорода. А если учесть, что в трещинах содержится угольная пыль, химическая активность которой чрезвычайно высока, то создаются
условия для ее интенсивного окисления и, как следствие, появления очагов самонагревания. Повышение температуры приводит к возникновению тепловой эффузии и усилению притока свежего кислорода в уголь.
Таким образом, выполненные исследования показали, что эф-фузионные процессы в трещиноватой среде могут привести к возникновению в горном массиве зон с повышенным содержанием кислорода, которые, в свою очередь, способствуют появлению очагов самонагревания угля или породы.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Костенко В.К. Геомеханические и аэрологические основы предотвращения пожаров от самонагревания угля в шахтах: Автореф. .д-ра техн. наук: 21.06.02 / МакНИИ. - Макеевка, 2004. - 36 с.
2.СавельевИ.В. Курс общей физики, том 1. - М.: Наука, 1970. - 337с.
3.Паттерсон Г.Н. Молекулярное течение газов: пер. с англ. под ред. В.С. Авдуевского. - М.: Физматгиз, 1960. - 272 с.
4.Борисов С.Ф. Межфазная граница газ- твердое тело: структура, модели, методы исследования: Учебное пособие. - Екатиренбург: Из-во УГУ, 2001. - 268 с.
5.Шапошник В.А. Мембранные методы разделения смесей веществ/ Соросов-ский образовательный журнал. - №9, 1999. - С. 26-32.
— Коротко об авторах ------------------------------------------------
Костенко В.К. - Донецкий национальный технический университет, Донецк, Украина,
Завьялова Е.Л. - Научно-исследовательский институт горноспа-сательного дела и пожарной безопасности «Респиратор», Донецк, Украина.
